安科瑞 陳聰

摘要：本文針對風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的儲能系統進(jìn)行了優(yōu)化設計研究。主要從容量匹配、運行策略和經(jīng)濟性評估三個(gè)方面進(jìn)行分析。結果表明，合理設置儲能系統容量并優(yōu)化運行，可以提高風(fēng)電光伏發(fā)電的平滑性，為電網(wǎng)提供調峰服務(wù)，并具有較好的經(jīng)濟效益。本文為風(fēng)光發(fā)電儲能系統的優(yōu)化利用提供了參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；光伏發(fā)電；儲能；經(jīng)濟性

0引言

隨著(zhù)全球能源結構的調整和清潔能源的快速發(fā)展，新能源發(fā)電方式的比重不斷提高。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電作為清潔可再生能源的主要形式，在可再生能源發(fā)電結構中占有重要地位。但是，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電也存在間歇性強、調峰能力差等問(wèn)題。為了提高風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的系統穩定性、經(jīng)濟性以及電網(wǎng)適應性，搭建儲能系統對其發(fā)揮重要作用。本文針對風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電儲能系統的匹配設計、運行策略和經(jīng)濟性進(jìn)行綜合分析，以期為風(fēng)力和光伏發(fā)電儲能系統的規劃設計和效益評估提供參考。

1風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電儲能系統基本概述

1.1　風(fēng)力發(fā)電儲能系統

風(fēng)力發(fā)電儲能系統由風(fēng)力機組、功率電子裝置、儲能裝置組成。風(fēng)力機組采用變槳距、變槳角風(fēng)力機，機組容量一般在1-3MW。儲能系統常采用鉛酸蓄電池或鋰電池，考慮到成本效益兼顧，蓄電池容量約為風(fēng)機額定功率的20-40%。以2MW風(fēng)機與0.5MW/1MWh鋰電池組為例，充電時(shí)風(fēng)機額定輸出2MW送入電池充電，電池提供0.5MW功率、可儲存1MWh能量。放電時(shí)，電池可以提供0.5MW功率，可持續輸出2小時(shí)。充放電過(guò)程中，通過(guò)雙向DC/DC轉換器連接風(fēng)機發(fā)電機側直流母線(xiàn)與電池，并通過(guò)控制器協(xié)調風(fēng)機、電池、DC/DC的功率分配。放電時(shí)，先從電池提供功率，不足部分從風(fēng)機補充。光伏發(fā)電儲能系統控制策略?xún)?yōu)化可以提高系統經(jīng)濟性，延長(cháng)電池壽命。

1.2　光伏發(fā)電儲能系統

光伏發(fā)電儲能系統主要由光伏數組、逆變器、儲能裝置組成。光伏組件選用單晶或多晶硅組件，轉換率18%以上，組件容量一般在300-400W。逆變器采用并網(wǎng)型逆變器，效率在98%以上。儲能裝置常用鋰電池，也可采用鉛酸蓄電池或電容。儲能容量設計考慮發(fā)電容量、用電負荷情況、調峰需求等，一般取光伏容量的20-30%。例如100kW光伏系統配備20kW/50kWh鋰電池組，充電時(shí)光伏發(fā)電100kW，20kW直接為負荷供電，余80kW充電；放電時(shí)先從電池供電20kW，不足部分從光伏發(fā)電補充。逆變器與電池通過(guò)DC/DC調壓器連接，控制充放電過(guò)程中的功率分配。因此，光伏發(fā)電儲能系統優(yōu)化控制策略，既考慮經(jīng)濟性，也要兼顧電池充放電對壽命的影響。

2風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電儲能系統優(yōu)化設計

2.1儲能系統的容量與功率匹配

儲能系統的容量和功率匹配設計對系統的經(jīng)濟技術(shù)性能有直接影響，應該根據發(fā)電側的配置、用戶(hù)側的負荷曲線(xiàn)以及調峰需求來(lái)進(jìn)行匹配設計。例如，如果一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)配置了3臺2MW的風(fēng)力發(fā)電機組，用戶(hù)側的負荷需求峰谷差為1MW，那么儲能容量應設計為2MWh，功率為1MW，以滿(mǎn)足需求。同時(shí)，考慮到系統損耗和儲能效率，可以適當加大10-20%的容量和功率。另一個(gè)例子是一個(gè)100kW的光伏發(fā)電站，配備了30kW/60kWh的鋰電池組。光伏每天發(fā)電量約為400kWh，用戶(hù)大負荷約為50kW。通過(guò)模擬光伏輸出曲線(xiàn)和用戶(hù)負荷曲線(xiàn)，可以得到直接供負荷電量約為200kWh，需要儲存入電池的電量約為200kWh。針對用戶(hù)負荷的早晚峰值，電池容量60kWh可以滿(mǎn)足約2h的早晚尖峰需求?？紤]到電池組的充放電損耗和轉換效率，配備30kW功率的電池組基本能滿(mǎn)足尖峰填平需求。通過(guò)具體案例分析，綜合考慮發(fā)電側配置、用戶(hù)側負荷情況、儲能效率等因素，可以合理匹配設計儲能系統的容量和功率，以滿(mǎn)足系統需求，同時(shí)也要考慮經(jīng)濟性。

2.2　儲能系統的運行策略?xún)?yōu)化

儲能系統的運行策略對其經(jīng)濟性和儲能設備的使用壽命具有重要影響。因此，需要對充放電策略、SOC（StateofCharge，電池荷電狀態(tài)）維持策略等進(jìn)行精細的優(yōu)化。具體來(lái)說(shuō)，充電策略應考慮風(fēng)電或光伏的預測輸出情況、電網(wǎng)負荷需求狀況、電價(jià)信號等因素，以便合理制定儲能系統的充電時(shí)段和充電功率。這樣可以避免過(guò)充過(guò)放的情況，同時(shí)優(yōu)化經(jīng)濟效益。放電策略則需要根據負荷需求曲線(xiàn)、電價(jià)差異等條件，優(yōu)先利用儲能電量提供功率支持，實(shí)現峰谷調節、電費套利等目標。

以一個(gè)2MW/5MWh的鋰電池組風(fēng)電場(chǎng)為例，可以將SOC操作范圍設置為20%-90%。在充電時(shí)，需要考慮風(fēng)機的實(shí)時(shí)輸出和電網(wǎng)負荷需求，在風(fēng)電低谷時(shí)限制充電功率，以防止過(guò)充。在放電時(shí)，應優(yōu)先從儲能中提供功率，以抵消風(fēng)電的波動(dòng)。具體的充放電功率將根據實(shí)時(shí)數據進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，以維持合理的SOC水平。這樣的策略不僅可以延長(cháng)電池壽命，還可以實(shí)現經(jīng)濟調節。另外，對于一個(gè)100kW/60kWh的光伏電池組，充放電策略將根據當日光伏發(fā)電預測和用戶(hù)負荷預測進(jìn)行優(yōu)化，以保證SOC的合理化，防止電池過(guò)充過(guò)放。在放電時(shí)，應優(yōu)先從電池供電，然后補充光伏，以平滑輸出。同時(shí)，運行策略需要根據電池的健康狀態(tài)和使用數據進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整更新，以保證優(yōu)質(zhì)效果。綜上所述，通過(guò)全面優(yōu)化儲能系統的運行策略，可以顯著(zhù)提升其技術(shù)經(jīng)濟效益。

2.3　儲能系統的組件選擇與布局

儲能系統組件的合理選擇和布局直接影響系統性能和經(jīng)濟指標，需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：一，根據系統容量需求、電氣特性參數、自放電率、使用環(huán)境條件等因素，選擇合適的儲能設備。例如對于大容量風(fēng)電系統，可以考慮使用成本較低的鉛酸電池；對于配備光伏的家庭微電網(wǎng)系統，則可以選擇長(cháng)壽命、高安全性的鋰電池。在選擇具體產(chǎn)品時(shí)，需要匹配其電壓電流參數、容量大小、允許充放電次數等指標，確保其滿(mǎn)足系統運轉的需求。二，需要選擇高效率、損耗小的電力電子變流設備，確保其電壓等級和功率大小匹配系統的具體需求。例如對于幾百KW級的風(fēng)電光伏系統，可以選擇采用IGBT變流器；如果系統功率達到幾百MW級，則需要考慮采用更高功率等級的碳化硅變流設備。另外，關(guān)鍵部位需要設置合理的冗余變流設備，以提升系統的可靠性。三，不同的拓撲結構關(guān)系到后續的系統控制策略選用。例如，公共DC母線(xiàn)的結構有利于風(fēng)電和光伏向儲能系統進(jìn)行統一供電，便于實(shí)施風(fēng)光互補的控制策略；而獨立的DC-AC結構則可以實(shí)現兩者的隔離控制。因此，需要根據工程的具體設計目的，合理選擇系統拓撲結構。四，要優(yōu)先選擇通信協(xié)議開(kāi)放、功能可擴展的能量管理系統，以實(shí)現對各類(lèi)儲能設備、變流設備的狀態(tài)監控，并根據設備運行數據和需求負荷，制定出優(yōu)化的系統控制策略。五，根據對用戶(hù)側負荷需求分析、儲能容量需求評估等，來(lái)合理確定光伏發(fā)電、風(fēng)電發(fā)電、儲能設備等的具體容量配置方案。設備布局時(shí)，要注意強弱電的分離、防潮、設備熱管理等多個(gè)方面。綜上，通過(guò)對系統關(guān)鍵設備及拓撲結構的精細化比選和設計分析，可以獲得技術(shù)指標高且經(jīng)濟性好的儲能系統解決方案。

表1　儲能系統優(yōu)化設計關(guān)鍵措施

3風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電儲能系統經(jīng)濟性分析

3.1儲能系統的成本與效益評估

儲能系統的成本主要分為設備購置成本、運維成本以及系統電能損耗成本。在評估其效益時(shí)，需要考慮儲能系統在改善電網(wǎng)調峰性能、減少備用容量、延長(cháng)相關(guān)設備使用壽命等方面的經(jīng)濟價(jià)值?？梢酝ㄟ^(guò)具體案例進(jìn)行成本效益分析，例如某風(fēng)電場(chǎng)配備了2MW/5MWh的鋰電池儲能系統，設備購置成本為120萬(wàn)元，10年使用期，年運維費用為6萬(wàn)元。該系統通過(guò)峰谷切換，可幫助風(fēng)場(chǎng)減少約10%的棄風(fēng)量，據測算每年可增加發(fā)電收入約18萬(wàn)元。同時(shí)作為頻率調節儲備，可額外獲得約10萬(wàn)元的調峰補償收入。另外，系統吸收涌余功率，可減少機組機械應力，延長(cháng)逆變器使用壽命約10%，每年節約維護成本約5萬(wàn)元?？鄢\維成本后，該儲能系統10年內的效益約為330萬(wàn)元，投資回收期小于5年。另一個(gè)案例是某光伏電站配備100kW/200kWh的電池組進(jìn)行峰谷填平，同樣可以獲得良好的經(jīng)濟效益。因此，在評估儲能系統的效益時(shí)，除了考慮經(jīng)濟效益外，還需關(guān)注其在提高電網(wǎng)穩定性、減少調峰輪備容量等方面的技術(shù)價(jià)值，以及減少棄風(fēng)棄光對環(huán)境的影響等全面效益。通過(guò)綜合技術(shù)經(jīng)濟效益分析，可以更全面地評估儲能系統的合理性。

3.2儲能系統對電網(wǎng)的價(jià)值分析

儲能系統通過(guò)充放電調節，能夠為電網(wǎng)提供各種服務(wù)，提升電網(wǎng)供電的可靠性、經(jīng)濟性和靈活性。具體表現在以下幾個(gè)方面：一是提高電源調峰能力。儲能系統能夠快速響應需求變化，實(shí)現充電儲能和峰谷調節，降低對調峰發(fā)電機組的依賴(lài)，從而降低調峰成本。二是減少備用容量需求。儲能系統可作為容量備用，降低電網(wǎng)準備的備用容量。例如，10MW儲能系統可以減少約5MW的備用容量。三是提高電網(wǎng)靈活性。儲能系統增強電網(wǎng)吸收新能源等不穩定源的能力，同時(shí)在黑啟動(dòng)時(shí)為系統供電。四是提高電力質(zhì)量。儲能系統能夠平滑電源波動(dòng)，控制充放電參與電壓/頻率調節，提高電力質(zhì)量。五是節約用戶(hù)電費。儲能系統實(shí)現峰谷時(shí)間電價(jià)套利，充電存儲夜間低谷電價(jià)電量，放電減少高峰用電，降低用戶(hù)電費支出。具體經(jīng)濟效益可以進(jìn)行測算，例如，在某地區建設100MW/400MWh儲能電站，可減少該地約40MW備用容量，同時(shí)參與頻率調節獲得電費補償約300萬(wàn)元/年，用戶(hù)通過(guò)夜間充電可節約電費100萬(wàn)元/年。該儲能系統投資在8年內收回。綜上所述，儲能系統通過(guò)多種方式提升電網(wǎng)可靠性、靈活性、經(jīng)濟性，成為電網(wǎng)的重要支撐技術(shù)裝備。

3.3經(jīng)濟性指標的計算與比較

對儲能系統的經(jīng)濟性指標進(jìn)行計算與比較，可以評估不同方案的經(jīng)濟效益。主要的經(jīng)濟性評價(jià)指標包括：

1. 投資回收期。根據總投資成本、年運行維護費用及系統收益，計算投資回收所需要的時(shí)間，一般要求投資回收期在項目使用壽命1/3以?xún)取?/span>

2. 遞增系統效益與遞增成本比。評估增加儲能容量對系統效益提升的貢獻與成本增加的比值，選擇優(yōu)解。遞增系統效益與遞增成本比計算公式：比值=ΔE/ΔC；式中，ΔE為系統效益的遞增量，ΔC為系統成本的遞增量。

3. 凈現值（NPV）。估算項目的收益現值與成本現值之差，NPV大于0表示項目經(jīng)濟可行。NPV計算公式：NPV=∑（t=1）n（R-C）/（1+r）t；式中，R和C分別為t年的收益和成本，r為貼現率，n為項目使用壽命。（4）

4. 內部收益率（IRR）。計算項目收益所對應的復利回報率，IRR高于銀行*款利率表示項目?jì)r(jià)值高。IRR滿(mǎn)足等式：∑（t=1）n（R-C）/（1+IRR）t=0。

具體計算可基于特定案例，例如某風(fēng)電場(chǎng)考慮增設2MW/5MWh儲能系統，成本為120萬(wàn)元，使用壽命為10年。經(jīng)過(guò)測算，該儲能系統的投資回收期為4.5年，凈現值（NPV）為260萬(wàn)元，內部收益率（IRR）為16.5%，符合經(jīng)濟效益要求。同時(shí)，也可以通過(guò)比較不同儲能容量方案的經(jīng)濟性評價(jià)指標，選擇優(yōu)解。通過(guò)定量經(jīng)濟性分析，我們可以比較不同儲能配置方案的可行性，并選擇經(jīng)濟效益較佳的儲能系統解決方案，結合技術(shù)指標評估，我們可以實(shí)現技術(shù)經(jīng)濟兼優(yōu)的儲能系統設計。

4安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統

4.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統是安科瑞專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統，可實(shí)現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、策略管理、歷史曲線(xiàn)等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統不僅可以實(shí)現下級各儲能單元的統一監控和管理，還可以實(shí)現與上級調度系統和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以滿(mǎn)足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經(jīng)濟運行。

4.2應用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

4.3系統結構

4.4系統功能

（1）實(shí)時(shí)監管

對微電網(wǎng)的運行進(jìn)行實(shí)時(shí)監管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負荷，同時(shí)也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。

（2）智能監控

對系統環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，掌握微電網(wǎng)系統的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發(fā)電系統進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實(shí)現整個(gè)微電網(wǎng)系統范圍內的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態(tài)數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數據進(jìn)行監測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進(jìn)行監測。

（5）可視化運行

實(shí)現微電網(wǎng)無(wú)人值守，實(shí)現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進(jìn)行不間斷監控。

（6）優(yōu)化控制

通過(guò)分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進(jìn)行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實(shí)現經(jīng)濟優(yōu)化調度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶(hù)可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數據，同時(shí)可以切換年報查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

通過(guò)分析光伏、風(fēng)電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進(jìn)行設置。其中策略包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5硬件及其配套產(chǎn)品

6結論

隨著(zhù)可再生能源比重的不斷提高，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性對電網(wǎng)穩定運行提出挑戰。儲能系統作為有效解決新能源規?；玫年P(guān)鍵技術(shù)，發(fā)揮著(zhù)不可替代的重要作用。本文針對風(fēng)電和光伏發(fā)電的儲能系統進(jìn)行了系統研究，重點(diǎn)對儲能系統的優(yōu)化設計、運營(yíng)策略和經(jīng)濟性評估進(jìn)行了探討。研究表明，合理規劃儲能系統容量配置與控制策略，不僅能提高風(fēng)電和光伏發(fā)電的可靠性、經(jīng)濟性，也可以減少其棄風(fēng)棄光量，提供調峰備用等多種電網(wǎng)服務(wù)，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟效益?？傮w而言，儲能技術(shù)與風(fēng)電、光伏發(fā)電深度融合，是實(shí)現可再生能源大規模利用的重要途徑之一。未來(lái)的研究可繼續關(guān)注如何利用儲能技術(shù)提高新能源并網(wǎng)規模，實(shí)現可再生能源與電網(wǎng)的協(xié)調優(yōu)化及互利共贏(yíng)。

參考文獻

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